水泥攪拌樁加固在控制臨近橋墩側(cè)移中的應(yīng)用

陳維靜，李戰(zhàn)懷

（1.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市300122；2.天津泰達(dá)工程管理咨詢有限公司，天津市300300）

0 引言

目前，國內(nèi)大中城市的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)不僅給基坑工程技術(shù)的發(fā)展帶來了很大的機(jī)遇，更在環(huán)境保護(hù)方面給工程技術(shù)人員帶來了很多重要的挑戰(zhàn)。城市中大多數(shù)深基坑常常緊鄰交通主干道，施工場(chǎng)地狹小，這使得深基坑設(shè)計(jì)的難度不斷增大，更是增加了基坑工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于基坑坑內(nèi)土方的開挖，勢(shì)必對(duì)周圍土體應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響，從而引起基坑周圍土體的變形，對(duì)臨近立交橋梁的變形也產(chǎn)生了較大的影響。若其變形不能得到有效控制，將可能危及臨近立交橋梁及橋墩的安全。因此，如何有效地控制基坑開挖所引起的臨近橋墩變形，成為基坑工程設(shè)計(jì)及施工所面臨的重要問題。

1 工程概況

1.1 工程概述及周邊環(huán)境

某雨污水合建泵站位于濱海軟土地區(qū)，場(chǎng)地現(xiàn)狀西側(cè)為海河變電站辦公用房，場(chǎng)地東側(cè)及北側(cè)為立交橋，場(chǎng)地南側(cè)緊鄰河道。該工程擬建雨污合建泵站為全地埋式，雨污水合建泵站主體為地下兩層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，雨污水泵站之間設(shè)沉降縫。雨水泵站長33.90 m，寬31.5 m，挖深12.34 m；污水泵站長33.7 m，寬16.6 m，挖深11.00 m；泵站主體為全地下整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

泵站東側(cè)、北側(cè)為某立交橋，與支護(hù)樁最近距離為8.11 m，西側(cè)為河道變電站，與支護(hù)樁最近距離為13 m，南側(cè)為現(xiàn)狀海河河道防洪墻，與支護(hù)樁最近距離為8.38 m。泵站東北側(cè)立交橋橋墩下樁基礎(chǔ)為400 mm×400 mm的預(yù)制方樁基礎(chǔ)，由于該立交橋竣工至今運(yùn)營時(shí)間已約有20 a，加之濱海地區(qū)立交橋橋址處于軟土地區(qū)，區(qū)域沉降明顯。根據(jù)天津市控沉報(bào)告，該區(qū)域近5 a平均沉降量為30～50 mm。

1.2 水文地質(zhì)等自然條件

1.2.1 水文條件

勘察期間初見水位埋深1.50～1.60 m，靜止水位埋深0.9～1.00 m。表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化。一般年變幅在0.50～1.00 m左右。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該場(chǎng)區(qū)承壓水頭可按地面以下2 m考慮。承壓水層為粉砂層。

1.2.2 工程地質(zhì)情況

勘察最大孔深為30 m。按地層形成時(shí)代，成因類型及工程地質(zhì)特征劃分為以下土層，現(xiàn)自上而下詳細(xì)分述如下：

第一層，人工填土層（Qml），厚度1.10～3.60 m，底板標(biāo)高1.00～-1.64 m，主要由雜填土組成，呈雜色，松散～堅(jiān)硬狀態(tài)，由磚塊、白灰土、石子、路面、混凝土等建筑垃圾組成。

第二層，全新統(tǒng)上組陸相沖積層（Q43al），厚度0.20～2.30 m，頂板標(biāo)高1.00～-1.64 m，主要由粘土組成，呈黃褐色，可塑（偏軟）狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中等(偏高)壓縮性土。夾粉質(zhì)粘土。

第三層，全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42 m），厚度14.80～15.50 m，頂板標(biāo)高-1.10～-1.96 m，該層從上而下可分為3個(gè)亞層。第一亞層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度一般為4.10～6.80 m，呈褐灰～灰色，流塑狀態(tài)，無層理，含貝殼，屬高壓縮性土，夾粉土，粉質(zhì)粘土薄層透鏡體，局部夾淤泥；第二亞層，淤泥質(zhì)粘土，厚度一般為4.70～7.90 m，呈灰色，流塑狀態(tài)，無層理，含貝殼，屬高壓縮性土；第三亞層，粉質(zhì)粘土，厚度一般為2.60～4.20 m，呈灰色，流塑～軟塑狀態(tài)，無層理，含貝殼，屬中等(偏高)壓縮性土，多夾淤泥質(zhì)粘土。

第四層，全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q41al）。厚度5.60～6.60 m，頂板標(biāo)高 -16.45～-17.16 m，主要由粉質(zhì)粘土組成，呈黃灰～灰黃色，可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中等壓縮性土。局部夾粉土透鏡體。

第五層，上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（Q3eal），該項(xiàng)目勘察未穿透此層，揭露最大厚度5.40 m，頂板標(biāo)高-22.64～-23.20 m，主要由粉砂組成，呈黃褐色，密實(shí)狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中等(偏低)壓縮性土，夾粉土，局部夾粉質(zhì)粘土透鏡體。

1.3 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

雨污水合建泵站基坑總長53.41 m，寬53.20 m，現(xiàn)狀地面高程2.00 m，基坑底高程最深為-10.30 m，最淺處-8.00 m，基坑深度分別為12.34 m、10.00 m，基坑支護(hù)面積2 655 m2，基坑上口開挖面積3 283 m2。方案如下：由于場(chǎng)地受限，采用現(xiàn)狀地面1：1.0放坡減載1 m深度后采用灌注樁加圓環(huán)形內(nèi)撐的開挖支護(hù)方式。支護(hù)樁直徑1 m，中心距1.2 m（局部支護(hù)樁直徑1.5 m，中心距1.7 m），樁長25 m，支護(hù)深度9～11 m，嵌固深度14～16.00 m，在樁頂以下0.40 m及3.9 m、7.3 m深度處設(shè)三層支撐體系，由冠梁(腰梁)及圓環(huán)形內(nèi)支撐組成。冠梁、腰梁及支撐均采用鋼筋混凝土型式，冠梁(腰梁)截面尺寸：1500mm×800mm（局部冠梁截面尺寸1800mm×800 mm），圓環(huán)形內(nèi)支撐截面尺寸1 800 mm×800 mm，輻射桿支撐截面尺寸：800 mm×800 mm。止水帷幕采用三軸d850@1200，樁長20 m。

為減小基坑開挖過程中對(duì)相鄰橋墩的變形影響，對(duì)支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體進(jìn)行加固，通過水泥攪拌樁加固寬度不同計(jì)算出橋墩位移不同，選擇合適的加固寬度，保證基坑開挖和橋梁運(yùn)行安全。

2 有限元模擬分析

2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

模擬過程中，把灌注樁按抗彎剛度等效的原則等效成地下連續(xù)墻，等效墻寬0.950 m。圍護(hù)墻、混凝土支撐、水泥土擋墻及預(yù)制方樁（截面尺寸400×400）均采用線彈性模型，土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。土體、圍護(hù)墻、混凝土支撐、水泥土擋墻及預(yù)制方樁的材料參數(shù)見表1所列。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

采用ABAQUS非線性有限元軟件，建立基坑的平面有限元模型，針對(duì)基坑開挖對(duì)臨近橋墩側(cè)移的影響進(jìn)行了分析。

有限元模型：基坑深度方向取30 m，長度方向取85 m。其中開挖區(qū)25 m，根據(jù)對(duì)稱取實(shí)際開挖寬度50 m的一半；基坑外取60 m，為開挖深度11.9 m的5倍。模擬考慮了臨近荷載20 kPa，臨近荷載距開挖邊線3 m，寬度為10 m。

模擬過程中，分別對(duì)支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體未進(jìn)行加固、支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體進(jìn)行水泥攪拌樁加固這兩種工況進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，其中支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體進(jìn)行加固又分為水泥土擋墻厚度4.00 m和6.50 m兩種情況。

2.2.1 未進(jìn)行水泥攪拌樁加固

分析結(jié)果如圖1所示。

表1 材料參數(shù)表

圖1 支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體未進(jìn)行水泥攪拌樁加固的水平位移對(duì)照?qǐng)D（單位：m）

2.2.2 支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體進(jìn)行水泥攪拌樁加固

（1）水泥土擋墻厚度為：4.000 m，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 支護(hù)樁與預(yù)制方樁水平位移對(duì)照?qǐng)D（單位：m）（擋墻厚度：4 m）

（2）水泥土擋墻厚度為：6.500 m，分析結(jié)果如圖3所示。

3 結(jié)論

本文采用平面有限元模型分析了基坑開挖對(duì)臨近橋墩側(cè)移的影響，由以上計(jì)算可得：

圖3 支護(hù)樁與預(yù)制方樁水平位移對(duì)照?qǐng)D（單位：m）（擋墻厚度：6.5 m）

（1）支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體未進(jìn)行加固時(shí)，基坑開挖引起周邊地面最大沉降預(yù)測(cè)值為35 mm，距離基坑開挖邊線13.000 m；橋墩預(yù)制方樁最大水平位移預(yù)測(cè)值為17.5 mm（偏向基坑開挖一側(cè)），最大水平位移發(fā)生在坑底以上1.977 m處。

（2）支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體進(jìn)行水泥攪拌樁加固，當(dāng)水泥土擋墻厚度為4.000 m時(shí)，基坑開挖引起周邊地面最大沉降預(yù)測(cè)值為18.6 mm，距離基坑開挖邊線7.820 m；橋墩預(yù)制方樁最大水平位移預(yù)測(cè)值為12.6 mm（偏向基坑開挖一側(cè)），最大水平位移發(fā)生在坑底以上2.970 m處。

（3）支護(hù)樁與預(yù)制方樁之間土體進(jìn)行水泥攪拌樁加固，當(dāng)水泥土擋墻厚度為6.500 m時(shí)，基坑開挖引起周邊地面最大沉降預(yù)測(cè)值為20.5 mm，距離基坑開挖邊線7.820 m；橋墩預(yù)制方樁最大水平位移預(yù)測(cè)值為10.9 mm（偏向基坑開挖一側(cè)），最大水平位移發(fā)生在坑底以上2.970 m處。

在基坑支護(hù)樁和臨近橋墩之間采用水泥攪拌樁加固的處理方法，通過選擇合適的加固寬度，合理利用支護(hù)樁與橋墩之間有限的空間，有效降低了基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)。具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為今后基坑設(shè)計(jì)提供了技術(shù)借鑒。